水上现浇等截面箱梁单跨钢管贝雷支架中贝雷选型与适应性研究

彭云涌， 左雁， 罗英

(中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410004)

1 引言

水上现浇钢管立柱+加强型双层贝雷(以下简称贝雷)支架采用单跨简支结构，其计算跨度较大，且与现浇箱梁净跨径相近。该支架体系利用承台作支点，不仅省去了振桩锤费用，更避免了现浇完成后钢管桩入土部分无法拔出回收的问题，可确保材料重复周转、节省施工工期，在水上、软土区现浇箱梁中应用广泛。

目前，此类支架设计依靠经验居多，特别是贝雷布置在初拟后可能还需要经过多次试算，效率低。该文重点梳理常规跨径水上现浇箱梁贝雷梁选型与布置，并运用Midas/Civil有限元计算分析，验证该文思路的准确性，供同类支架设计标准化、选型快速化参考。

2 贝雷选型关系推导

由钢管立柱+双层加强型贝雷传力途径可知，贝雷横向布置与箱梁横断面密切相关。为了减少试算，根据贝雷(0.45 m/0.9 m)横距、容许承载力、截面特性，运用材料力学求得贝雷选型。

常规跨径现浇箱梁支点腹板厚b0=0.6～0.9 m，而贝雷标准横距为0.45 m，腹板下布置n=(0.6～0.9 m)/0.45 m+1=2～3排贝雷。根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》，贝雷支架几何特性、容许承载力及相关参数如表1所示。

表1 贝雷几何特性及容许承载力

设箱梁高为H，支点腹板宽度为b0，贝雷计算跨径为L,贝雷自重为G0，并假定(现浇箱梁自重+箱梁模板自重)=(支点截面×混凝土湿重×箱梁跨径)，取混凝土重度为26.5 kN/m3。

其余计算取值为：施工人员、机具荷载标准值：3.0 kPa；振捣混凝土荷载标准值：2.0 kPa。

强度验算时，荷载集度：

qud1=1.2×26.5Hb0+1.2×G0+1.4×(3+2)×0.45=31.8Hb0+1.2G0+3.15

刚度验算，支点腹板荷载集度：

qfd1=26.5Hb0+G0=26.5Hb0+G0

则由弯矩验算条件：qud1≤8[M]/L2，得：

Hb0≤{8[M]/L2-(1.2G0+3.15)}/31.8

(1)

由剪力验算条件：qud1≤2[Q]/L,得：

Hb0≤{2[Q]/L-(1.2G0+3.15)}/31.8

(2)

由刚度验算条件：([L/400])，qfd1≤384EI·L/(400×5L4)=0.192λEI/L3，得：

Hb0≤(0.192EI/L3-G0)/26.5

(3)

贝雷应同时满足式(1)～(3)。常规跨径现浇箱梁高H与跨径L0：H/L0=1/12.5～1/19.5，令b0=0.6/0.65/…/0.90 m，式(1)～(3)可转化为H与L0的函数关系。因篇幅限制仅示意支点腹板厚为0.9 m双排双层、支点腹板厚为0.6 m三排双层H与L0的关系图。如图1所示。

图1 贝雷适用跨径与现浇箱梁高度示意

由图1可知：贝雷适用跨径的范围可划分为3个区间：

直接适用区间①：该区间最大适应跨径，由抗剪承载力控制，贝雷不需额外加强。

加强适用区间②；该区间必须加强支点贝雷腹杆；最大适应跨径则根据腹板支点厚度，由抗弯或由刚度控制。

不适用区间③：跨径位于该区间，则贝雷梁因抗弯不足或者刚度不足，不能适应。

以图1(b)支点腹板厚0.6 m三排双层贝雷为例，当现浇箱梁跨径L>25.4 m，须加强抗剪后采用；当现浇箱梁跨径L>35.7 m后，刚度条件无法满足，则不适应。

根据上述思路，表1、2列出b0=0.6、0.65、…、0.90 m时，贝雷适应现浇箱梁跨径区间及控制条件。

表2 双排双层贝雷——现浇箱梁跨径区间划分

表3 三排双层贝雷——现浇箱梁跨径区间划分

综合表1、2可知：

(1) 支点腹板厚≤0.70 m时，贝雷最大适用跨径受到刚度条件控制；当支点厚度>0.70 m时，贝雷最大适用跨径受弯矩容许值控制，由于最大适应跨径控制条件不同，导致贝雷支架适用性受限。

(2) 常规跨径现浇箱梁跨径超过35 m后，单跨钢管立柱+双层加强型贝雷不适应。

3 案例验证

3.1 依托工程及支架设计

福建泉州台商投资区海湾大道二期工程上跨白奇湖采用3×30 m等截面现浇箱梁桥，桥位处水深约为5 m，淤泥深厚约为30 m，若在水中设置支架中墩，则无法回收，造成浪费。

为节省成本、缩短工期，拟采用双层加强型单跨贝雷梁钢管支架。项目箱梁高1.8 m，支点腹板厚为900 mm，无中横隔板。依托工程箱梁高跨比：1.8/30=1/16.67∈(1/12.5～1/19.5)，根据表2可知，支点腹板厚为900 mm，现浇箱梁跨径30 m属于三排双层加强型(21.0，35.7) m区间，即腹板底可采用三排双层贝雷布置，具体布置可根据腹板位置适当微调。如图2所示。

图2 海湾大道水上3×30 m现浇箱梁(墩顶)支架布置(单位：mm)

(1) 钢管立柱采用φ630×10 mm(内)/φ800×12 mm(最外侧)，柱间系采用2[20a型钢焊接，最外侧钢管与分配梁采用φ630×10 mm钢管斜撑，水平倾斜角度为60°。

(2) 钢管柱上部横向分配梁采用3HN500×200型钢。

(3) 底模分配梁采用[20型钢，倒扣在贝雷梁顶部，间距≤400 mm。

3.2 有限元计算结果

根据设计方案、材料特性及荷载取值(箱梁荷载据实取，模板取为3.5 kPa)，运用Midas/Civil建立支架有限元模型，贝雷支架计算跨径为26 m。为验证该文思路，建模时未考虑支点处竖向腹杆加强。

根据相关规范，拟定计算工况如下：

强度验算：1.2×(混凝土自重+支架自重+模板自重)+1.4×(施工人员、机具荷载标准值+振捣混凝土荷载标准值)。

刚度验算：1.0×(混凝土自重+支架自重+模板自重)。

计算结果如表4所示。

表4 贝雷梁计算结果(未考虑支点抗剪加强)

表4表明：贝雷梁弯曲组合应力、变形值均满足受力要求且仅需对支点腹杆加强，贝雷布置符合标准化、快速化要求，具有合理安全储备。

4 结论

以常规跨径水上现浇箱梁采用单跨钢管立柱+加强型双层贝雷支架为研究对象，研究加强型双层贝雷选型与适应性，得到结论如下：

(1) 以箱梁腹板底贝雷布置这个关键，通过力学推导，编制“单跨钢管立柱+加强型双层贝雷支架”选型表格，可用于该类支架快速设计。

(2) 常规跨径现浇箱梁跨径≥35 m，单跨钢管立柱+双层加强型贝雷不适应。

(3) 通过贝雷梁容许值反算及Midas有限元计算结果对比，可知贝雷梁容许值计算结果偏于保守。